一种多波束测深异常的角度和传播时间相关改正方法与流程

1.本发明涉及水文测量领域，尤其涉及一种多波束测深异常的角度和传播时间相关改正方法。


背景技术：

2.水下地形是最基础地理要素，在河床演变、水域治理、水资源利用等邻域具有重要的应用价值。水下地形常借助单波束测深系统或多波束测深系统通过水下地形测量方式来获得，相较单波束测深系统，多波束测深系统一次可以获得100～500个测深点，可实现条带式全覆盖扫测，显著提高了测深效率，以成为当前水下地形获取的主要手段。
3.多波束测深系统是一个由多元传感器组成的综合系统，姿态传感器安装偏差、换能器安装偏差、罗经校准偏差、声速误差等均会给最终的测深结果带来显著的系统性误差，这种误差随着波束入射角和深度的增大而增大，在测深数据的断面地形中呈现边缘波束测深异常，导致相邻测线公共覆盖区测深数据不一致，进而引起地形的不合理突变。针对该问题，现有的解决方案主要有两种方法，即强制压制法和趋势面拟合法。强制压制法是根据相邻测线公共覆盖区测深数据，寻求公共位置的测深数据，取分别属于两个测线的测点深度的平均值作为该位置最终的深度，通过这种强制压制的方式，实现相邻测线公共位置测深数据的一致。强制压制法实施简单，但缺少原理，虽然实现了相邻测线公共覆盖区测深数据的一致，但不能正确的反映真实的地形变化。趋势面拟合法利用多波束的测深特点，即中央波束测深数据受诸因素影响较小，边缘波束受影响较大，利用相邻测线的中央波束测深数据，构建地形趋势面，以该趋势面为参考，内插边缘波束测量的地形趋势，将相邻测线的边缘波束压制到该参考面上，进而实现诸因素对边缘波束造成的测深异常改正。趋势面法较强制压制法而言，顾及了诸因素对多波束测深影响的机理，但仅适用于地形变化相对平缓的水下地形，而对于地形变化比较复杂的水下地形，则基于相邻测线中央波束构建的地形趋势则不能真实的反映边缘波束扫测位置的水下地形趋势，由此实施的边缘波束测深异常压制则会造成虚假地形。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种多波束测深异常的角度和传播时间相关改正方法，用于获取高精度的多波束测深数据和水下地形，从机理上解决多波束测深带来系统性误差的影响。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：本发明提供了一种多波束测深异常的角度和传播时间相关改正方法，包括以下步骤： s1、多波束测深偏差计算：多波束测深结果与单波束测深结果在同名点位置的深度偏差；s2、多波束测深偏差序列构建：根据所述同名点位置上的深度偏差、多波速侧深点
对应的波速角和传播时间，构建所述深度偏差与波束角和传播时间的数据序列；s3、建立多波束测深偏差修正模型：构建关于波束传播时间和入射角的自变量表达式；s4、解算多波束测深偏差修正模型：根据所述s2中的数据序列，构建深度偏差与所述s3中的自变量的多项式关系模型，并根据最小二乘原理，解算多项式模型系数，建立多波束测深数据改正模型；s5、多波束测深偏差修正：利用所述s4中的多波束测深数据改正模型，根据各个波束的传播时间和波束入射角，计算改正量，修正原始测深数据。
6.进一步，所述s1中，多波束测深偏差计算的模型为：
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（1）其中，为同名点位置的多波束水深与单波束水深的差值。
7.进一步，所述s2中，数据序列为：其中，为多波束测深点对应的波束入射角；为传播时间；为波束角的编号。
8.进一步，所述s3中，构建自变量表达式包括以下步骤：s301、多波束测深计算模型为：
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（2）其中，为第层的实测深度；为第层的声速；为第层的传播时间；为第层的波束角；s302、根据snell法则，下列关系成立：s302、根据snell法则，下列关系成立：
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（3）其中，为snell常数；和为水表层的声速和波束入射角；s303、则公式（2）中的实测深度表示为、和函数为：
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（4）
s304、声速误差带来的多波束测深误差模型为：
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（5）s305、简化公式（4）和公式（5）：
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（6）其中，与 接近；s306、对于由层组成的整个水体，声速误差对整个水层的测深影响表示为：为：
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（7）s306、为显式表达，设立自变量，表达式为：
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（8）。
9.进一步，所述s4中，多波束的测深误差模型用多项式关系模型表达为：
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（9）其中，为待求系数，为残差项；根据所述s2中的数据序列，当有组组组，则根据公式（9），不同组的多波束测深偏差形成如下方程组：
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（10）公式（10）的矩阵形式为：其中，其中，其中，其中，则根据最小二乘原则，解算待求系数则根据最小二乘原则，解算待求系数
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（11）。
10.进一步，根据构建公式（9）的角度和深度相关的多项式关系模型，对所有的多波束测深数据，根据波束入射角和测量深度，代入公式（9）中，计算改正量，利用，对边缘波束，即波束角大于45度的多波束测深点进行改正，进而消除多波束测深偏差的影响：
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（12）其中，为原始测深数据；为改正后的深度。
11.本发明的有益效果为：通过研究发现了多波束边缘波束测深异常与两个因素相关，即波束入射角和传播时间，以相同位置的单波束测深系统测深结果为参考，寻求出多波束扫测断面地形在不同入射角和传播时间下的偏差量，构建与波束入射角度、传播时间相关的测深改正模型，实现多波束边缘波束测深异常的削弱。该方法从机理上彻底解决多波束边缘波束测深异常的削弱难题，无论边缘波束地形变化平缓还是复杂，均能实现测深异常的削弱和真实地形的获取。
附图说明
12.图1 为本发明一种多波束测深异常的角度和传播时间相关改正方法的流程图；图2为同名点的测深偏差示意图；图3为测深偏差与入射角的示意图；图4为测深偏差与传播时间的关系图；图5为自变量的示意图；图6为处理前的断面图；图7为处理后的断面图；图8为原始测深数据误差分布图；图9为处理后的误差分布图。
具体实施方式
13.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
14.一种多波束测深异常的角度和传播时间相关改正方法，包括以下步骤：s1、多波束测深偏差计算：多波束测深结果与单波束测深结果在同名点位置的深度偏差；s2、多波束测深偏差序列构建：根据所述同名点位置上的深度偏差、多波速侧深点对应的波速角和传播时间，构建所述深度偏差与波束角和传播时间的数据序列；s3、建立多波束测深偏差修正模型：构建关于波束传播时间和入射角的自变量表达式；s4、解算多波束测深偏差修正模型：根据所述s2中的数据序列，构建深度偏差与所述s3中的自变量的多项式关系模型，并根据最小二乘原理，解算多项式模型系数，建立多波束测深数据改正模型；s5、多波束测深偏差修正：利用所述s4中的多波束测深数据改正模型，根据各个波束的传播时间和波束入射角，计算改正量，修正原始测深数据。
15.所述s1中，多波束测深偏差计算的模型为：
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（1）其中，为同名点位置的多波束水深与单波束水深的差值。
16.所述s2中，数据序列为：其中，为多波束测深点对应的波束入射角；为传播时间；为波束角的编号。
17.所述s3中，构建自变量表达式包括以下步骤：s301、多波束测深计算模型为：
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（2）其中，为第层的实测深度；为第层的声速；为第层的传播时间；为第层的波束角；s302、根据snell法则，下列关系成立：02、根据snell法则，下列关系成立：
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（3）其中，为snell常数；和为水表层的声速和波束入射角；s303、则公式（2）中的实测深度表示为、和函数为：
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（4）s304、声速误差带来的多波束测深误差模型为：
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（5）s305、简化公式（4）和公式（5）：
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（6）其中，与 接近；s306、对于由层组成的整个水体，声速误差对整个水层的测深影响表示为：为：
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（7）s306、为显式表达，设立自变量，表达式为：
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（8）。
18.所述s4中，多波束的测深误差模型用多项式关系模型表达为：
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（9）其中，为待求系数，为残差项；根据所述s2中的数据序列，当有组组 ，则根据公式（9），不同组的多波束测深偏差形成如下方程组：
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（10）公式（10）的矩阵形式为：其中，其中，其中，其中，则根据最小二乘原则，解算待求系数则根据最小二乘原则，解算待求系数
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（11）
根据构建公式（9）的角度和深度相关的多项式关系模型，对所有的多波束测深数据，根据波束入射角和测量深度，代入公式（9）中，计算改正量，利用，对边缘波束，即波束角大于45度的多波束测深点进行改正，进而消除多波束测深偏差的影响：
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（12）其中，为原始测深数据；为改正后的深度。
19.实施例一将该技术方案应用于南海某水域，该水域水深范围104m～110m。对该水域施测了多波束测深，为消除多波束边缘波束异常测深的影响，在该区域的中央部分施测了单波束水下地形测量；s1，根据s1中式（1）给出的方法，寻找单波束与多波束相同位置的测深点（同名的），计算多波束测深结果与单波束测深结果在同名点位置的深度偏差如图2所示。
20.s2、根据s2，分别构建多波束测深偏差与波束入射角序列、测深偏差与波束传播时间数据序列。两个序列的分布图如图3和图4所示。
21.s3、根据s3中的式（8），建立多波束测深偏差修正模型：构建关于波束传播时间和入射角的自变量表达式。各个测深点的如图5所示。
22.s4、根据s4中给出的方法及式（9），利用各同名点的多波束测深偏差、各点构建同名点的多波束测深偏差修正模型方程。对所有同名构建方程，形成方程组，即式（10）。
23.利用最小二乘原理，解算方程组，即式（11），得到多波束测深修正模型的多项式模型系数，建立多波束测深数据改正模型。
24.解算得到的模型系数如表1所示。
25.表1 回归模型的参数s5、根据s5所述方法和式（12），利用s4中建立的多波束测深数据改正模型，根据多波束各个波束的传播时间和波束入射角，计算改正量，修正原始多波束测深数据，得到修正后的测深数据。图6为原始多波束测深数据形成的地形断面，图7为修正后测深数据形成的地形断面。
26.图5直观的给出了修正前、后地形断面，结果表明利用建立的多波束测深异常修正模型对原始多波束测深数据修正，实现了相邻多波束测线（l1、l2、l3）测深点对地形的一致性表达，也表明s1~s5给出的多波束测深异常修正方法的正确性。
27.图5仅用于直观视觉定性分析，为定性分析，对全区域改正前、后的同名点测深不符值进行统计，结果如图8、图9和表2所示。
28.表2 多波束测深数据修正前后精度统计结果
图8、图9和表2表明，在整个区域，利用本专利给出的s1~s5方法和过程，实现了多波束异常测深结果的修正，在不同多波束测量线的同名测深点上，经过异常测深修正，测深精度提供了2倍多，进一步表明了本专利方法的正确性和实用性。
29.以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求。